用于运行空气质量传感器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于运行空气质量传感器的方法，其布置在内燃机的进气管段中并且测量流经进气管段的空气质量，其中，空气质量传感器具有空气质量传感器元件，其是构造成微型电子机械系统的应用专用的集成电路的组成部分，其中，空气质量传感器具有至少一个用于分析由空气质量传感器元件生成的测量信号的元件。为了说明用于运行空气质量传感器的方法，其特别是在具有自动启停装置的车辆中降低了对空气质量传感器元件的污染，空气质量传感器借助于用于分析由空气质量传感器元件生成的测量信号的元件识别内燃机的静止状态，并随即控制空气质量传感器元件进入第二运行模式，该第二运行模式能够降低对空气质量传感器元件的污染，其中，该第二运行模式还至少允许对在进气管段中流动的空气质量进行测量，空气质量传感器自身由此能够借助于用于分析由空气质量传感器元件生成的测量信号并根据空气质量传感器元件的测量信号识别内燃机的开动，并随即控制空气质量传感器元件进入第一运行模式，该第一运行模式能够实现以高精确度测量流经进气管段的空气质量。
【专利说明】用于运行空气质量传感器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于运行空气质量传感器的方法，该空气质量传感器布置在内燃机的进气管段中并测量流经进气管段的空气质量的质量，其中，该空气质量传感器具有空气质量传感器元件，该空气质量传感器元件是构造成微型电子机械系统的应用专用集成电路的组成部分，其中，该应用专用的集成电路具有至少一个用于分析由空气质量传感器元件生成的测量信号的元件。
【背景技术】
[0002]这种空气质量传感器例如在机动车中被用于确定由内燃机吸入的空气质量。在关于所吸入的空气质量的尽可能可靠的信息的基础上，能够通过发动机控制装置将燃烧如下地优化，即向相应的燃烧室输送正好与空气质量一致的燃料量。结果是，由此在减少有害物质排放量的同时实现更好地利用能源的目标。
[0003]从DE 44 07 209 Al中已知了一种空气质量传感器，其被插入吸气通道中以便确定空气质量，其中，总流体中的限定份额流经该空气质量传感器。为此将该空气质量传感器设计成插入通道-空气质量传感器，并且包括布置在测量通道中的传感器元件、布置在壳体中用于该传感器元件的电子装置、以及在传感器元件另一边的排气通道。为了实现节省空间的布置，所述通道或者说空气引导路径设计成U、S或C形，从而形成总体上紧凑地构造成插入元件的装置。
[0004]构造成微型电子机械系统(MEMS)的现代的空气质量传感器元件能够非常精确且快速地工作。此外，其还能够以低廉的成本制造。但对于设计成微型电子机械系统的空气质量传感器元件来说，传感器元件的上表面非常容易受到污染。传感器元件的上表面保持与空气流的直接接触，并且存在于空气流中的微粒可能会损伤传感器元件的上表面。由于现代的机动车具有自动启停装置而使这一污染问题更加严重。当高温的内燃机停止运行时，从内燃机中到达进气管段中的小油滴增多。一方面出现所谓的烟囱效应，该烟囱效应促使空气流从高温的内燃机流向进气管段中的空气滤清器所在的低温区域，并且另一方面通过热泳或热扩散使小油滴从高温的内燃机流向低温的空气滤清器箱。
[0005]微粒基于温度梯度在流体内部的运动被称作热泳、热扩散或路德维希索瑞特效应(Ludwig-Soret-Effekt)。在大多数情况下,该运动是从高温处向低温处进行的,然而,根据微粒和流体的类型，也可能出现朝向较高温区域的运动。热泳在所有材料中都会出现，在气溶胶、例如空气中的小油滴中能够清楚地观察到该效应，在空气中的微尘中也是如此。
[0006]如果不存在温度梯度，空气分子从各个方向平均均匀地撞击在空气中的微尘或小油滴上。微尘或小油滴由此按照布朗定律运动并且其运动是根据统计的且不定向的，并且微尘或小油滴不会平均地通过多次布朗撞击而离开其位置。然而，如果微尘或小油滴处在温度梯度中，则位于高温一侧的分子的撞击速度快于低温一侧分子的撞击速度，并且微粒由此经历朝向低温一侧的方向上的净脉冲。该运动仍旧还是根据统计的，然而，微尘或小油滴却在较长的时间内均匀地朝空气的低温区域的方向上运动。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，提出一种用于运行开头所述类型的空气质量传感器的方法，特别是在具有自动启停装置的车辆中，该方法能够降低对空气质量传感器元件的污染。
[0008]该目的通过独立权利要求中所述的特征实现。有利的实施方式是从属权利要求的内容。
[0009]根据本发明，空气质量传感器借助于用于分析由空气质量传感器元件生成的测量信号的元件识别内燃机的静止状态，并随即控制空气质量传感器元件进入第二运行模式，该第二运行模式可减少对空气质量传感器元件的污染，其中，该第二运行模式还至少允许对在进气管段流动的空气质量进行测量，因此，空气质量传感器自身便能够借助于用于分析由空气质量传感器元件生成的测量信号的元件并根据空气质量传感器的测量信号识别内燃机的开动，并随即控制空气质量传感器元件进入第一运行模式，该第一运行模式能够实现以高精确度测量流经进气管段的空气质量。利用在此提出的方法，空气质量传感器能够独立地在运行的和静止的内燃机之间进行区分，并且使该状态相应地匹配于两个不同的运行模式。在第一运行模式中，用MEMS技术设计的空气质量传感器元件以高精确度测量进气管段中的空气流量，并且在第二运行模式中，空气质量传感器元件保护自己防止被小油滴或灰尘污染，但即便解析度较低，空气质量传感器元件却始终能够测量空气质量流。在第一运行模式中，空气质量传感器能够以高精确度测量进气管段中的空气质量流，在第二运行模式中，空气质量传感器保持自我保护功能、但却并未完全关断，在这两种运行模式之间的来回切换是完全不取决于发动机控制装置进行的，并且仅借助于应用专用的集成电路和用于分析由空气质量传感器元件生成的测量值的元件，并且是在空气质量传感器本身的内部进行的。这样智能的空气质量传感器一方面减轻了发动起控制装置的负担、另一方面也减轻了空气质量传感器和发动机控制装置之间的数据总线的负担。此外，按照根据本发明的方法运行的空气质量传感器非常快速地在这两种运行模式之间来回切换，这在绑定了发动机控制装置时则是无法实现的。
[0010]有利的是，将用于分析由空气质量传感器生成的测量信号的元件布置在空气质量传感器的壳体中。空气质量传感器由此与发动机控制装置无关。
[0011]如果用于分析由空气质量传感器生成的测量信号的元件是应用专用的集成电路的组成部分，则能够在不投入附加成本的情况下将该元件与空气质量传感器元件一并制造出来。
[0012]在本发明的改进方案中，当没有测量到质量流或测量到小于空转质量流的、恒定的逆向流或恒定的正向流时，空气质量传感器借助于用于分析由空气质量传感器生成的测量信号的元件识别内燃机的静止状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]以下根据参考附图中的图对实施例的描述来说明本发明的其它特征和优点。对于相同的构造元件来说，后面将在不同的图中使用相同的概念和参考标号。在此示出:
[0014]图1是空气质量传感器元件，
[0015]图2是空气质量传感器，该空气质量传感器作为指状插入件集成在吸入侧中。【具体实施方式】
[0016]图1不出空气质量传感器兀件5。该空气质量传感器兀件5作为微型电子机械系统(MEMS)被设计在唯一的硅芯片上。该空气质量传感器元件5按照差温方法工作并且由此确定从旁边流过的空气质量的量。为此在薄膜11上设有第一温度传感器元件12和第二温度传感器元件13。第一和第二温度传感器元件12，13处于薄膜11的上表面的不同位置上。在第一温度传感器元件12和第二温度传感器元件13之间布置了加热元件14。第一温度传感器元件12和第二温度传感器元件13以及加热元件14是应用专用的集成电路6的组成部分。此外，在构造成微型电子机械系统的空气质量传感器元件5上还能够集成有分析电子装置7，其立即对温度传感器元件12，13的测量信号进行分析并生成与空气质量流成正比的信号。然而，分析电子装置7同样也能够良好地布置在位于空气质量传感器I的壳体18中的下游的电子装置中。在此重要的是，免除了发动机控制装置16对空气质量传感器元件5的测量信号进行分析的任务。发动机控制装置16获得空气质量传感器I的完全经过处理的测量结果作为数字信号。关于空气流的信息随后则通过连接元件9和连接导线10继续传输给在图2中示出的发动机控制装置16。
[0017]图2示出空气质量传感器元件5，该空气质量传感器元件5构造成微型电子机械系统(MEMS)并布置在作为指状插入件集成在内燃机3的进气管段2中的空气质量传感器I中。当内燃机3运转时，空气质量流4到达空气质量传感器I的进气开口 4处，并且进入辅助管24中。在薄膜11的上表面上可以识别出第一温度传感器元件12和第二温度传感器元件13。在第一温度传感器元件12和第二温度传感器元件13之间布置了加热元件14。空气质量流4首先到达第一温度传感器元件12，随后流出加热元件14，以便此后达到第二温度传感器元件13。在内燃机3运行时，由第一温度传感器元件12和第二温度传感器元件13的测量值并且可能参考加热元件14的温度，能够以高精确度计算出进气管段2中的空气质量流4。对空气质量流4的测量和计算仅在空气质量传感器I中进行。该信息随后通过合适的数据路径25传输给发动机控制装置16。发动机控制装置16能够利用该信息计算出需要向内燃机3的燃烧室22输送的最优的燃料量。
[0018]现代的机动车越来越多地具有自动启停(Start/Stop)装置19,该自动启停装置与发动机控制装置16连接，并在机动车处于静止状态时使内燃机3自动停止运行。当机动车应当随后例如由于交通信号灯显示“绿色”而重新开动时，则例如在操纵离合器时自动启动内燃机3。这是一种目前在机动车中广泛应用的、用于节省燃料的措施。在使内燃机3停止运行时，从高温的发动机机油中扩散出小油滴21，小油滴也进入到了进气管段2中。通过开头所述的热泳效应和烟囱效应使进气管段2中的小油滴21从高温的内燃机3处向低温的空气滤清器15的方向上运动。在此，油滴21也经过空气质量传感器1，并且通过空气质量传感器I的辅助管24向前推进至空气质量传感器元件5处。该空气质量传感器元件5由此被小油滴21污染，这会对空气质量传感器元件5的测量特性产生极度消极的影响。被小油滴21高度污染的空气质量传感器元件5可能会提供高度歪曲的测量结果，并且因此非常重要的是保护空气质量传感器元件5不受污染。为了保护空气质量传感器元件5，在空气质量传感器I中布置了用于分析由空气质量传感器元件5生成的测量信号的元件7，该元件能够识别内燃机3的静止状态并随即控制空气质量传感器元件5使其进入第二运行模式，该第二运行模式将降低对空气质量传感器元件5的污染。重要的是，处于第二运行模式中的空气质量传感器元件5还能够继续以至少较低的解析度实施对在进气管段中流动的空气质量的测量。如果无法再测量到空气质量流4，或者探测到空气质量4的恒定的逆向流，或者当探测到空气质量4的较弱且恒定的正向流，其小于内燃机3的已知的空转运转空气流，则由用于分析空气质量传感器元件5的信号的元件7识别内燃机3的静止状态。当内燃机3空转运转时，质量流基于动力学也会短时间地实现小于零或小于空转质量流，这是由于进气管段3中的气柱随着相应的发动机转数一起振动。气柱的典型振动频率在20至30赫兹之间。当例如在长50毫秒的时间段内测量到消极的或非常小的空气质量流，则空气质量传感器I将会识别出，内燃机3正处于静止状态。为了防止通过小油滴21污染空气质量传感器元件5，现在降低电气加热元件14的功率。例如可以将由加热元件14产生的100°C的温度降至约20°C的过热温度。过热温度指的是超过周围环境中的空气的温度、即所吸入的空气质量4的温度。所吸入的空气质量4的温度例如可以为15°C，并且为了达到20°C的过热温度，将电器加热元件14调至35°C。在这种状态下，不会有或者仅有少量的小油滴21沉积在空气质量传感器兀件5上。但空气质量传感器I即便是仅以相对较差的解析度也能够在内燃机开动时测量空气质量流4，这是因为加热元件14仅具有相对较低的温度，即仅为35°C。如果此时具有应用专用的集成电路6和用于分析由空气质量传感器元件5生成的测量信号的元件7的空气质量传感器I识别出内燃机3被重新启动，则应用专用的集成电路6将控制空气质量传感器元件5进入第一运行模式，该第一运行模式能够实现以高精确度测量流经进气管段2的空气质量4。例如当加热元件14达到了约100°C的温度时，会实现第一运行模式，在该第一运行模式中能够以高精确度测量流经进气管段2的空气质量4。按照根据本发明的方法运行的空气质量传感器I由此能够通过这种方式完全独立地识别出内燃机3的静止状态，并随后进入静止模式，这通过使空气质量传感器I不仅能够识别内燃机3的开动并也能够停留在自我保护模式中来实现，该自我保护模式确保空气质量传感器元件5不会不必要地被基于热泳和烟囱效应而涌入进气管段2中的小油滴21污染。在第一运行模式中能够以高精确度测量进气管段2中的空气质量，在第二运行模式中，空气质量传感器保持自我保护功能、但却并未完全关断，在这两种运行模式之间的来回切换完全不取决于发动机控制装置进行的，并且仅借助于应用专用的集成电路6和用于分析由空气质量传感器元件5生成的测量值的元件7，并且是在空气质量传感器I本身的内部进行的。这样智能的空气质量传感器I 一方面减轻了发动起控制装置16的负担，另一方面也减轻了空气质量传感器I和发动机控制装置16之间的数据总线25的负担。
【权利要求】
1.一种用于运行空气质量传感器I的方法，所述空气质量传感器布置在内燃机3的进气管段2中并且测量流经所述进气管段2的空气质量4，其中，所述空气质量传感器I具有空气质量传感器元件5，所述空气质量传感器元件5是构造成微型电子机械系统的应用专用的集成电路6的组成部分，其中，所述空气质量传感器I具有至少一个用于分析由所述空气质量传感器元件5生成的测量信号的元件7，其特征在于，空气质量传感器I借助于用于分析由所述空气质量传感器元件5生成的所述测量信号的所述元件7识别所述内燃机的静止状态并随即控制所述空气质量传感器元件5进入第二运行模式，所述第二运行模式能够降低对所述空气质量传感器元件5的污染，其中，所述第二运行模式还至少允许对在所述进气管段2中流动的所述空气质量4进行测量，所述空气质量传感器I自身由此能够借助于所述用于分析由所述空气质量传感器元件5生成的所述测量信号并根据所述空气质量传感器元件5的所述测量信号识别所述内燃机3的开动，并且所述空气质量传感器随即控制所述空气质量传感器元件5进入第一运行模式，所述第一运行模式能够实现以高精确度测量流经所述进气管段2的所述空气质量4。
2.根据权利要求1所述的用于运行空气质量传感器I的方法，其特征在于，用于分析由所述空气质量传感器元件5生成的所述测量信号的所述元件7布置在所述空气质量传感器I的壳体18中。
3.根据权利要求1或2所述的用于运行空气质量传感器I的方法，其特征在于，用于分析由所述空气质量传感器元件5生成的所述测量信号的所述元件7是所述应用专用的集成电路6的组成部分。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的用于运行空气质量传感器I的方法，其特征在于，当没有测量到所述质量流时，或者测量到小于空转质量流的恒定的逆向流或恒定的正向流时，所述空气质量传感器I借助于用于分析由所述空气质量传感器元件5生成的所述测量信号的所述元件7识别所述内燃机的静止状态。
【文档编号】G01F1/692GK104024806SQ201280063734
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】托尔斯藤·克尼特尔 申请人:大陆汽车有限责任公司